BÀI BÁO CÁO THỰC TẬP-MỞ RỘNG MẠNG WLAN BẰNG KỸ THUẬT MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY

Mở rộng WLAN bằng kỹ thuật mạng hình lưới không dâySự phát triển nhanh của công nghệ mạng không dây trong những năm gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải ph

Mở rộng WLAN bằng kỹ thuật mạng hình lưới không dây

Sự phát triển nhanh của công nghệ mạng không dây trong những năm gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi triển khai mạng Mỗi công nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạt động ở một phạm vi nhất định và được phân loại theo khả năng phủ sóng của từng công nghệ Trong thực tế thường được phân chia thành các loại mạng: Mạng cá nhân WPAN, mạng nội bộ WLAN, mạng đô thị WMAN, mạng diện rộng WWAN Tính chất của mỗi loại mạng được cấu thành thông qua một tập các tham số về băng thông, phạm vi mạng, năng lượng tiêu thụ, vị trí của người sử dụng

ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự phát triển nhanh của công nghệ mạng không dây trong những năm gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi triển khai mạng Mỗi công nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạt động ở một phạm vi nhất định và được phân loại theo khả năng phủ sóng của từng công nghệ Trong thực tế thường được phân chia thành các loại mạng: Mạng cá nhân WPAN, mạng nội bộ

WLAN, mạng đô thị WMAN, mạng diện rộng WWAN Tính chất của mỗi loại mạng được cấu thành thông qua một tập các tham số về băng thông, phạm vi mạng, năng lượng tiêu thụ, vị trí của người sử dụng Mối tương quan về phạm vi phủ sóng và tốc độ truyền dữ liệu của từng loại mạng được minh họa trong Hình 1 [3]

Hình 1 Các công nghệ mạng không dây và phạm vi ứng dụng

Ưu điểm về tốc độ truyền cao và phạm vi phủ sóng rộng, WiMAX là lựa chọn số một cho các ứng dụng mạng không dây có số lượng người sử dụng lớn, cung cấp đồng thời nhiều dịch vụ khác nhau (thoại, video, Internet) trên cùng một đường truyền không dây [9] Tuy nhiên, với các ứng dụng mạng có phạm vi vừa và nhỏ, công nghệ WiMAX không phải là một giải pháp phù hợp do giá thành thiết bị đầu cuối cao, chi phí thiết lập mạng lớn Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi vừa và nhỏ, công nghệ WLAN (IEEE 802.11) vẫn là một giải pháp hoàn toàn phù hợp về đặc điểm kỹ thuật cũng như chi phí sử dụng Tuy nhiên, do hạn chế về tầm phủ sóng, công nghệ WLAN truyền thống không thể đáp ứng được các ứng dụng cần mở rộng mạng Vì vậy, trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng có phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được tính chất của mạng

Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn Dựa trên các thiết bị có sẵn của WLAN cùng với một số cải tiến về cả phần cứng, phần mềm; xây dựng giao thức truyền thông mới, kỹ thuật mạng hình lưới không dây có thể cải thiện đáng kể tầm phủ sóng của mạng ban đầu

So sánh WLAN và WiMAX

(802.16a)

WLAN

(802.11b) (802.11a/g)

Ứng dụng cơ bản Mạng không dây

băng thông rộng Mạng không dây nội bộ Mạng không dây nội bộ

Dải tần 2GHz đến 11GHz 2.4GHz ISM 2.4GHz ISM (g)

Băng thông kênh Có thể điều chỉnh

được trong khoảng 1.25MHz-20MHz

25MHz 20MHz

Chế độ truyền dữ

liệu

Song công Bán công Bán công

Công nghệ vô

tuyến

OFDM DSSS OFDM

Độ hiệu quả của

băng thông

≤ 5 bps/Hz ≤ 0.44 bps/Hz ≤ 2.7 bps/Hz

Mật mã 3DES (Bắt buộc)

AES (Tùy chọn)

RC4 (AES với 802.11i)

RC4 (AES với 802.11i)

Khả năng di

động

(Mobility)

Mobile WiMAX (802.16e)

Đang được phát triển

Đang được phát triển

Kết nối mạng

lưới

(Mesh Network)

Có Tuỳ thuộc vào

hãng sản xuất Tuỳ thuộc vào hãng sản xuất

Ưu điểm Tốc độ truyền cao,

phạm vi phủ sóng rộng

Tốc độ truyền cao, giá thành rẻ Tốc độ truyền cao, giá thành rẻ

KỸ THUẬT MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY WMN

Khái niệm mạng hình lưới (Mesh Network) nói chung được sử dụng trong một số lĩnh vực của ngành công nghệ thông tin Kỹ thuật mạng hình lưới là cách thức truyền tải dữ liệu, âm thanh và câu lệnh giữa các nút xử lý, cho phép truyền thông liên tục và tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách “nhảy” từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối Mạng lưới có khả năng tự hàn gắn và tạo ra mạng có độ tin cậy cao; có thể hoạt động khi có một nút bị lỗi hoặc chất lượng kết nối mạng kém Trong lĩnh vực mạng không dây, mạng lưới được áp dụng để nới rộng phạm vi phủ sóng của mạng không dây truyền thống Các nút trong mạng truyền thông trực tiếp với các nút khác và tham gia trong mạng lưới Nếu một nút có thể kết nối với một nút lận cận khác thì sẽ có kết nối với toàn mạng [8]

Các cấu hình mạng

Công nghệ mạng WLAN được áp dụng để triển khai mạng không dây diện rộng thông qua một số cải tiến về phần cứng và phần mềm trên các chuẩn 802.11a, 802.11b có dải tần khác nhau (Bảng 1) Chuẩn 802.11b thường được dùng khi cài đặt giao thức truyền thông giữa các nút do đặc

tả của chuẩn này cho phép phạm vi truyền lớn hơn khi hoạt động ở dải tần 2.4GHz

Trong kỹ thuật mạng hình lưới, có các khái niệm:

- Nút (Node): Gồm có router và/hoặc các client (máy tính, PDA, )

- Nút đường lên (Uplink node): Nút kết nối tới mạng Internet thông qua đường truyền hữu tuyến để cung cấp kết nối Internet cho toàn mạng

- Nút đường xuống (Downlink node): Nút kết nối tới mạng và có khả năng phục vụ cả kết nối hữu tuyến và vô tuyến cho mạng

- Nút lặp (Repeater node): Nút kết nối vào mạng và không dùng để phục

vụ các client chỉ đóng vai trò là nút trung gian lặp tín hiệu

Các cấu hình mạng cơ bản [4],[6]

§ Điểm – Điểm (Point-to-Point): Là kiểu kết nối đơn giản nhất, hai nút

truyền thông qua hai anten thu phát công suất cao hướng trực tiếp với nhau

Hình 2 Mạng Điểm-Điểm

§ Điểm – Đa điểm (Point-to-Multipoints): Kết nối được chia sẻ giữa nút

đường lên dùng anten đa hướng với các nút đường xuống (hoặc nút lặp) với anten thu công suất cao Cấu hình mạng này dễ triển khai hơn cấu hình Điểm– Điểm vì khi thêm một thuê bao mới chỉ cần lắp đặt thêm thiết bị tại khu vực thuê bao chứ không phải lắp tại nút đường lên Tuy vậy, các trạm thu phải nằm trong phạm vi phủ sóng và có đường nhìn thẳng với trạm phát sóng gốc Các vật cản như cây cối, nhà cửa, đồi núi,

sẽ góp phần làm cấu hình mạng lưới Điểm – Đ điểm hoạt động không hiệu quả

Hình 3 Mạng Điểm – Đa điểm

§ Đa điểm – Đa điểm: Mỗi nút có vai trò không chỉ là điểm truy nhập

cho các trạm mà còn làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu

Hình 4 Mạng Đa điểm- Đa điểm

Cấu hình này có độ tin cậy mạng cao nhất do các nút có sự liên thông với nhau, một nút chỉ cần có kết nối với một nút bất kỳ mà không cần phải có kết nối trực tiếp với nút đường lên như trong cấu hình Điểm –

Đa điểm, là có thể kết nối với toàn mạng Tuy nhiên, đổi lại giao thức tìm đường của mạng sẽ có độ phức tạp cao hơn

Giao thức truyền thông

Giao thức truyền thông giữa các nút là yếu tố kỹ thuật cốt lõi của mạng Mạng có khả năng tự phục hồi tốt cũng như tìm được đường đi tối ưu hay không là nhờ vào giao thức truyền dữ liệu giữa các nút xử lý trong mạng Có một số kỹ thuật đang được đề xuất làm giao thức truyền thông cho mạng lưới như: AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector),

PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), OLSR (Optimized Link State Routing Protocol), TORA (Temporally-Ordered Routing

Algorithm), Tuy nhiên, sẽ chưa có giao thức nào được chọn chính thức cho đến khi chuẩn cho mạng hình lưới không dây 802.11s ra đời [1],[6]

Các giao thức đều được thiết kế dựa trên nguyên tắc chung giống nhau, chỉ khác nhau về cách thể hiện cài đặt và xử lý thông tin Trong phần này giới thiệu Giao thức định tuyến động DSR (Dynamic Source

Routing Protocol) Đây là giao thức có nhiều ưu điểm về tính đơn giản, hiệu quả cao, có khả năng tự tổ chức, tự định cấu hình tốt

Các đặc điểm của DSR

Giao thức được cấu thành từ hai cơ chế: Phát hiện đường truyền và Duy trì đường truyền Các cơ chế này cho phép các nút trong mạng truyền thông trực tiếp hoặc gián tiếp với tất cả các nút còn lại trong mạng lưới

- Phát hiện đường đi RD (Route Discovery): Là cơ chế tìm đường khi nút gốc S muốn gửi gói dữ liệu tới nút đích D nhưng chưa biết đường đi

- Duy trì đường đi RM (Route Maintenance): Là cơ chế trong đó nút S

có khả năng tìm đường mới khi đường truyền đang sử dụng bị gián đoạn

do cấu hình mạng đã thay đổi hoặc kết nối giữa các nút trong đường truyền đó không hoạt động Khi phát hiện ra đường truyền cũ bị đứt, S

có thể tìm một đường truyền tới D khác mà nó biết hoặc thực hiện cơ chế RD để tìm ra đường mới

Các cơ chế RD và RM hoạt động hoàn toàn dựa theo yêu cầu của các nút Không giống với các giao thức khác, DSR không đòi hỏi phải

truyền định kỳ các gói dữ liệu tìm đường quảng bá, các tín hiệu kết nối hoặc các gói dữ liệu phát hiện nút lân cận Với lý do này, DSR làm giảm nghẽn mạch mạng do truyền định kỳ các gói dữ liệu về 0 khi tất cả các nút có vị trí tương đối ổn định so với các nút khác và tất cả các đường đi cần thiết cho việc truyền thông đã được phát hiện

Cơ chế phát hiện đường RD

Khi một nút S cần gửi một gói tin tới nút đích D, S ghi thứ tự các bước

đi trong cả đường đi tới D vào phần thông tin header của gói tin Thông thường, S sẽ lấy thông tin về đường đi thích hợp tới D bằng cách tìm trong bộ nhớ các đường đi được lưu lại từ những lần đi trước (Route Cache) của nút Nếu không tìm thấy, S khởi tạo cơ chế RD để tìm đường

đi Trong trường hợp này, S được gọi là gốc (initiator) và D là đích

(target) của cơ chế RD

Cơ chế duy trì đường (Route Maintenance)

Khi gửi hoặc chuyển tiếp một gói tin bằng đường truyền xác định được, mỗi nút có trách nhiệm kiểm chứng việc nhận dữ liệu của nút tiếp theo trong đường đi Gói dữ liệu sẽ được tiếp tục truyền (với một số lần được xác định trước) cho tới khi có xác nhận đã nhận được dữ liệu

Các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất mạng

Một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu khi thiết kế, triển khai

và đưa mạng vào hoạt động là khảo sát được các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng

Kỹ thuật vô tuyến

Tham số ảnh hưởng lớn đến hiệu suất mạng là công nghệ vô tuyến Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, công nghệ tần số vô tuyến

và lý thuyết truyền thông là các yếu tố góp phần thúc đẩy công nghệ mạng không dây phát triển Có nhiều phương pháp được đề xuất để tăng dung lượng và khả năng mềm dẻo của các hệ thống vô tuyến bao gồm như: anten có hướng, hệ thống MIMO Tuy nhiên, để có thể nâng cao hơn nữa hiệu suất của hệ thống không dây cần phải có sự cải tiến trong các giao thức lớp cao hơn, đặc biệt là lớp điều khiển truy nhập (MAC)

và giao thức định tuyến

Khả năng mở rộng

Kích thước mạng lớn có thể làm cho giao thức định tuyến hoạt động không hiệu quả, không tìm được đường đi tin cậy và làm giảm hiệu suất mạng Mạng lưới có kiến trúc ad-hoc nên khó cài đặt các cơ chế đa truy nhập tập trung như: Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA do độ phức tạp và các yêu cầu về đồng bộ thời gian (với TDMA) và quản lý mã (với CDMA) Vì vậy, cơ chế truy nhập thường được dùng là đa truy nhập phân tán CSMA/CA Tuy nhiên, CSMA/CA có độ hiệu quả sử dụng lại tần số không gian rất thấp, giảm khả năng mở rộng của mạng nên kỹ thuật này cũng không phải là tối ưu Vì vậy, việc tạo ra kỹ thuật lai ghép giữa CSMA/CA với TDMA hoặc CDMA có thể là một hướng tiếp cận mới để nâng cao tính năng của mạng

Băng thông và chất lượng dịch vụ

Khác với các loại mạng ad-hoc khác, hầu hết các ứng dụng mạng lưới không dây là các dịch vụ băng rộng với nhiều yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) Do vậy còn có nhiều vấn đề khác cần quan tâm khi thiết

kế giao thức truyền thông: độ trễ truyền, tỉ lệ mất mát dữ liệu, băng thông tại từng nút,

Bảo mật mạng

Qua thực tế sử dụng, công nghệ WLAN đã bộc lộ nhiều yếu điểm trong bảo mật nên bài toán bảo mật cho mạng lưới không dây vẫn chưa thực

sự có lời giải thỏa đáng Có rất nhiều các kỹ thuật bảo mật được đề xuất cho WLAN, tuy nhiên chưa có cơ chế hoàn chỉnh nào được đề xuất cho mạng lưới Do kiến trúc của phân tán của hệ thống nên chưa có cơ chế phân phối khóa công khai trong WMN Hầu hết các giải pháp bảo mật cho mạng ad hoc không đủ tin cậy để cài đặt do cơ chế bảo mật của

mạng khác với ở các mạng ad hoc Vì vậy, bảo mật mạng vẫn còn là vấn

đề bỏ ngỏ, các cơ chế bảo mật như: các thuật toán mật mã, phân phối khóa bảo mật, bảo mật tầng MAC, phát hiện xâm nhập và quan sát mạng cần được tiếp tục phát triển

Tính dễ sử dụng

Giao thức cần được thiết kế sao cho đạt được tính tự trị nhiều nhất có thể

để tăng cường khả năng quản lý năng lượng, tự tổ chức, kiểm soát thay đổi cấu hình động, khắc phục các sự cố kết nối, xác thực người sử dụng nhanh Ngoài ra, các công cụ quản lý mạng như: theo dõi hiệu suất

mạng, định cấu hình các tham số của WMN cũng cần được phát triển tương ứng Các công cụ này cùng với cơ chế tự trị của giao thức sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của WMN

Một số ứng dụng tiểu biểu của mạng hình lưới không dây

Với ưu điểm về mở rộng phạm vi phủ sóng trên nền các thiết bị có sẵn của công nghệ mạng WLAN, kỹ thuật mạng lưới không dây có thể được

ứng dụng trong các ngữ cảnh mà không thể sử dụng mạng có dây để thay thế hoặc nếu thay thế được thì phải trả chi phí rất lớn Sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

Giao thông công cộng

Ứng dụng mạng lưới trong giao thông công cộng cho phép người sử dụng truy cập Internet trong khi đang di chuyển Hệ thống thông tin này

là sự kết hợp của hai yếu tố: Kết nối di động tốc độ cao tới mạng

Internet và mạng lưới trong từng phương tiện giao thông (Hình 5) Tuy nhiên, mô hình này chỉ thực sự được ứng dụng rộng rãi khi công nghệ Mobile WiMAX ra đời Đây cũng là một minh chứng cụ thể cho tính tương hỗ giữa hai công nghệ không dây WLAN và WiMAX

Hình 5 Ứng dụng WMN trong tàu điện

Doanh nghiệp

Là các mạng cỡ vừa và nhỏ trong phạm vi một văn phòng của cùng một đơn nguyên hoặc mạng phạm vi rộng liên kết các văn phòng khác nhau nằm ở các đơn nguyên khác nhau Hiện tại, các mạng IEEE 802.11 được

sử dụng rất nhiều trong các văn phòng Tuy nhiên, đây chỉ là các mạng độc lập, chưa có sự kết nối với nhau Việc dùng mạng hữu tuyến để kết nối là giải pháp không mang lại hiệu quả kinh tế do chi phí thiết lập đường truyền lớn Trong trường hợp này, mạng hình lưới không dây là giải pháp phù hợp và tiết kiệm được chi phí

Điều khiển tự động

Thông thường tín hiệu của các hệ thống điều khiển nguồn điện và các thiết bị điện tử (đèn chiếu sáng, thang máy, điều hòa nhiệt độ, ) trong các khu nhà lớn được truyền qua mạng hữu tuyến Tính chất của mạng hạn chế khả năng mở rộng của hệ thống khi lắp đặt thêm các thiết bị mới

ở những địa hình phức tạp Việc triển khai mạng hình lưới thay thế để truyền tín hiệu mang lại hiệu quả kinh tế cao và khả năng linh động

trong sử dụng mạng

Y tế

Dữ liệu trong hệ thống y tế như hình ảnh và thông tin chẩn đoán cần được xử lý và truyền kịp thời từ phòng này sang phòng khác Dữ liệu này thường chứa hình ảnh chẩn đoán độ phân giải cao nên việc truyền đòi hỏi băng thông lớn Khác với mạng hữu tuyến thông thường chỉ có thể hỗ trợ truy nhập mạng từ những vị trí nhất định, mạng lưới không dây cung cấp cho người sử dụng một cách truy nhập mạng cơ động

nhưng vẫn đảm bảo băng thông cần thiết

Quan sát an ninh

Các hệ thống quan sát an ninh nơi đông người đòi hỏi hạ tầng mạng có tốc độ truyền cao để truyền các hình ảnh động liên tục Cách tiếp cận theo mạng lưới không dây cung cấp cho hệ thống khả năng linh hoạt trong điều khiển và thu nhận tín hiệu ngay cả khi các thiết bị thay đổi vị trí -điều này không có được với mạng hữu tuyến Thêm vào đó, công việc lắp đặt thiết bị mới và bảo trì thiết bị cũ cũng dễ dàng hơn